弗吉尼亚理工大学研发ForceBot实现VR下半身地形触觉交互
作为地形模拟研究的平台
（映维网Nweon 2025年06月19日）在一项研究中，弗吉尼亚理工大学团队介绍旨在为VR提供下半身触觉交互，使用户能够在虚拟现实中行走，同时与各种模拟地形进行交互的ForceBot。
它利用两个平面龙门架，给每只脚两个自由度和被动的脚跟提升运动。设计采用动捕数据与动态仿真相结合进行人机工作空间和硬件选择。它具有导纳控制器调节物理人机交互（pHRI），以及步行算法来生成步行运动和模拟虚拟地形。总体而言，平台提供了一种独特的方法，利用平面龙门架实现VR地形交互。
在过去的几十年里，虚拟现实技术取得了显著的进步，越来越多的领域将这项技术用于各种目的，在教育、医疗保健、娱乐、工程等领域提供了显著的好处。VR通过各种感官提供了一个模拟的世界，最常见的VR感官反馈形式是视觉和听觉，这在创造沉浸式体验方面已经被证明是有效的。
在最近的VR应用中，触觉反馈的添加已证明可以进一步改善这种沉浸感，为模拟现实场景（如技能训练、教育和康复）提供可测量的改进。然而，大多数触觉设备专注于向上半身提供反馈；很少与下半身相互作用。
将触觉反馈和下半身互动结合起来，可以潜在地提高VR导航的舒适度和有效性。最常见的虚拟环境导航方法通常使用控制器、操纵杆或滑动平台。虽然有效，但设备通常缺乏身体运动，或者只能模拟简单的平地。
通过触觉交互显示计算机生成地形的能力可以拓宽VR应用，模拟更广泛的场景，允许用户用自然的身体动作穿越虚拟地形。在研究中，弗吉尼亚理工大学团队提出了一种专注于这种下半身交互的VR触觉设备，在提供行走运动的同时允许用户与模拟地形进行交互。
目前市面没有太多为下半身触觉交互设计的设备。另外，以往的研究在测试更复杂的触觉控制算法时，没有提供足够的数据来保证高性能，因而留下了很大的研究空白。研究要么不包括初步的用户数据，要么让用户在一个小规模的工作空间里慢慢走。
弗吉尼亚理工大学团队以先前的设计作为基础，并提出了ForceBot。
装置的目的是作为下半身触觉交互的研究平台。系统包含两个平面龙门架，每个龙门架都有一个定制设计的脚平台，为每只脚提供两个主动自由度和一个被动后跟运动。
团队同时提出了一种基于不同步态阶段生成步行运动的步行算法，并可以模拟三种类型的地形来，包括平地，楼梯和凸块。它具有导纳控制器来调节人机交互，测量相互作用力以提供机器人运动。
ForceBot旨在帮助用户使用机器人系统穿越VR地形。系统包含两个平面龙门架，如图1所示，用绿色标记。每个平面龙门架都有一个连接到它的脚平台，作为用户将脚连接到系统的物理用户界面，在图1中用黄色标记。每个足部平台可以在矢状面上独立移动，标记为X轴和y轴。
足部平台同时允许被动抬脚跟运动，以改善步行交互。系统通过在站立阶段沿着虚拟地面滑动平台，提供类似跑步机的行走体验。改变机器人运动的约束条件可以模拟不同的虚拟地形。在摆动阶段，足部平台只是跟随用户脚的运动。导纳控制器调节这种物理人机交互，将相互作用力转化为机器人运动。
设备平衡了工作空间和占用空间大小、控制性能和成本效益。与基于Stewart平台的设计相比，所提出的设计提供了一个更大的机器人工作空间，它同时比以前的其他设备具有更小的占地面积。另外，设备采用了现成的组件，降低了开发成本，加快了开发时间。当然，团队坦诚这种更紧凑、更经济的设备的局限性是单向行走和非驱动的脚踝运动，这阻碍了用户在VR中自由导航。尽管有其局限性，但所述装置有能力作为地形模拟研究的平台。
每个龙门架包含两个线性执行器（型号HMRB-18， OSPE32-BHD by Parker），为用户的脚提供两个自由度，如图4所示。两个龙门架由80毫米方形t型槽铝型材构成的基础框架连接，可以轻松调整它们之间的间距。每个龙门架都有一个足部平台，这是用户的脚与系统接口的地方。限位开关安装在执行器的每一端，以防止碰撞。每个线性执行器由一个2000瓦的伺服电机与齿轮减速器配对驱动。电机提供6.37 Nm额定扭矩和19.1 Nm瞬时最大扭矩，扭矩常数为0.56 Nm/ a，机械时间常数为0.5 ms，标称转速为3,000转/分钟。
为了简化开发，系统中的所有电机都是相同的，使用相同的电机驱动器，通信协议和编码器。x轴电机配3:1齿轮减速比，z轴电机配10:1齿轮减速比。每个电机都有一个高分辨率的23位绝对编码器，由欧姆龙电机驱动器控制，提供电机速度控制。电机驱动器通过EtherCAT通信协议接收来自中央控制器计算机的命令。如图5所示，足部平台设计的目标是在用户和运动设备之间提供一个物理接口，在任何运动过程中都不会打滑，允许脚跟抬起，并且可以感知设备和用户之间的所有力相互作用。
另外，外部计算机运行VR渲染软件，并通过VR头显给用户来自VR世界的视觉反馈。外部计算机允许集成不同的操作系统。它简化了与中央计算机上不兼容Linux操作系统的商用VR产品建立连接的开发。外部计算机和中央计算机之间的通信是通过Web-Socket协议建立。
相关论文：Design and Development of a Locomotion Interface for Virtual Reality Lower-Body Haptic Interaction
总的来说，团队提出了一种独特的设计，为每只脚提供两个自由度运动，并采用被动脚跟提升机制来实现行走行为。设计过程利用动态仿真的动捕数据，使人机工作空间与基于仿真结果的设备选择和硬件设计保持一致。
系统采用导纳控制器进行人机物理交互，调节人机交互力与机器人运动之间的关系。控制器使用行走算法生成类似跑步机的行走运动。最后，团队对系统的性能进行了三次测试，验证了系统模拟虚拟地形的能力。
未来的研究旨在进一步开发和评估所提出的装置。首先，将专注于实现更复杂的虚拟环境，以及进一步开发行走算法。改进将包括推动辅助，为每只脚提供更多的自由度，以及模拟地形属性。其次，通过用户研究来评估所提出设备的有效性，涉及一个完整的VR环境，对没有经验的用户进行全面的评估，包括测量用户的身体负荷、VR引起的不适和沉浸程度。
